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第9章 生活与科技(8)

红外线是我们肉眼看不见的,那人们是怎样发现红外线的呢?在19世纪时,人们已经知道太阳光通过三棱镜后可以形成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的一条彩色带。但英国天文学家赫舍尔在黑屋研究太阳的热效应时,发现了一种奇异的现象。用一块玻璃棱镜可以得到太阳光谱,他用一个灵敏的温度计,从紫色光开始,依次测量不同颜色光的热效应,发现温度计的温度逐渐升高,并且在红色光区温度达到最高点。按当时想法,将温度计放到红色光区以外人们看不见任何光线的黑暗区域时,温度计的度数应是室温的度数。但是,赫舍尔惊奇地发现,温度反而比在红色光区时还要高出很多。这一结果告诉人们,在红色光外还有一种人们看不见的光线(能量)存在。根据这种不可见光线在太阳光谱的位置,人们给它取名叫红外线。由红外线组成的一段光谱叫作红外光谱。

我们知道太阳光里包含大量的红外线,但是在我们周围有许多物体都可以放射红外线,如我们用的白炽灯、桌椅、汽车等,而且,我们人体就是一个红外线源。在高于绝对温度(-27315℃)而低于500℃的物体,一般物体都不会发射可见光,只会辐射红外线。可以这么说,只要有物体存在,就有红外线存在。虽然我们看不见它,但是它确实存在于整个空间。

激光

激光,这个词我们现在经常听得到,且知道它的用途非常广泛,几乎在各个领域都有用武之地。那么,激光究竟是什么呢?又是怎样产生的呢?

发光物质中处于基态的原子,从外界吸收能量后,将从基态跃迁到较高能级上,处于受激态的受激原子从高能级跃迁到低能级时,就要发出辐射,辐射的发出可以有两种不同方式:自发辐射和受激辐射。

在不受外界影响的情况下,激发态的原子会自发地向低能级跃迁,同时放出一个光子,这种发光过程叫自发辐射。自发辐射的特点在于:各原子的发光过程是自发的,独立进行的,且自发辐射所发出的光子的辐射方向、初位相、偏振态和频率各不相同,这种光是非相干光。这就是普通光源的原子发光过程。如果处于激发态的原子在发生自发辐射之前,受到一个外来的光子的刺激,它就可能从高能级跃迁到低能级。同时放出一个与外来光子的频率、辐射方向、初位相和偏振态完全相同的光子,这种发光过程叫受激辐射。受激辐射产生的光子是相干的。激光就是由物质的原子受激辐射产生的。激光是相干光。

X光

X射线又叫作伦琴射线,是由德国科学家伦琴在1895年发现的,当时,因为不知道它是什么,所以就把它叫作X射线。

X射线是一种高频率的电磁辐射。它通常是由于高速电子冲击到金属靶上而产生的。它的频率大于紫外光的频率,这就使得X光与其它光有着不同的性质。

普通的可见光只能穿过透明物体。而X光具有高度穿透能力,可穿过由较轻原子组成的物质,如人体、墙壁、木板等。但它不能穿过由较重原子组成的物质,如骨胳等,当X光照射到这些物质上时,其大部分的能量将被吸收。因此,在医学上常用X光给病人透视,检查肺部、骨伤和肠胃病人的病情。

现在,人们还用X光来缉毒、检查走私等。

磁场治病

人们很早就发现,可以利用磁场来治疗许多疾病。早在东汉时代的医书《神农本草经》里,就记载说磁石味辛寒,可以治疗麻痹风湿,四肢关节肿痛,还可以治疗热症造成的耳聋。占希腊医生用磁石治疗腹泻病,古罗马用磁石来治疗手足痛及痉挛。公元11世纪,阿拉伯医生用磁石治疗肝脾疾病、水肿、秃头病等。19世纪末,国外已经有磁椅、磁床、磁帽、磁带等磁制医疗器械的专利。现在,中国医疗界也在探索用磁疗手段治疗高血压、三叉神经痛、面神经麻痹等,也可以用来治疗失眠、神经衰弱。

为什么能够利用磁场来治病呢?

原来,人体有心电、脑电、肌电等各种生物电,有电流,便会产生相应的磁场,因此,在人的身体里就有相应的心磁、脑磁、肌磁等。人体患病时,某些部位的生物电会发生异常,那里相应的生物磁场也就会发生异常。如果此时在相应的部位上外加一个磁场,设法使用外磁场使体内磁场恢复平衡与正常,这便是磁疗。

关于磁疗治病的机理,人们提出了不少假说。医学物理学发现,磁场作用于人体,可以使被作用那部分的组织生物磁场改变方向。这种外加磁场和体内产生的磁场相互作用,可以使人体内部发生许多改变,如可以影响酶的活性,从而使体内生物化学反应加快或减慢;会影响到细胞膜上的金属离子钾、钠、钙,改变细胞的特性,使神经的兴奋性或抑制性发生改变;磁场可以使水磁化,从而影响体内蛋白质的代谢;可以使局部血管扩张,加速血液流通;磁场还可以抑制某些细菌的生存,可以消炎、止痛。

常用的磁疗方法主要是用贴敷磁铁的办法,如用磁性物质制成各种磁疗器械,在相应的穴位或病灶上使用。磁疗应用十分广泛,但是其治病的原理还未能揭示清楚,而且磁疗并不能包治百病,这都是我们在使用磁疗时应当注意的问题。

摩擦产生电

冬天用梳子梳头,会听到噼噼啪啪的响声,如果是在黑暗中,还可以从镜子里看到头上进出的火花;在黑暗中脱化纤衣服,也可以听到响声,看到火花。这些都是摩擦生电现象。

古希腊的泰勒斯(公元前640—546年)曾发现摩擦过的琥珀能吸引丝线等细小物体。拉丁语中有关电的词语的词根就是源于古希腊字“琥珀”。我国东汉时哲学家王充在《论衡》中也记载了类似现象,并将其与磁石吸引针的静磁现象联系起来。16世纪英国医生吉尔伯特通过实验发现,不仅琥珀经摩擦后能吸引轻小的物体,而且金刚石、水晶、玻璃、松香等在摩擦后也有“琥珀之力”,于是他根据希腊文“琥珀”一词创造了“电”这个名称,并把上述经过摩擦后的物体称为电化了的物体或带了电的物体。此外,他还制作了第一只验电器,用它来检验物体是否带电。

美国的富兰克林通过一系列实验发现存在有两种电荷,并分别称它们为“阳电荷”及“阴电荷”,即我们现在通常所说的正电荷和负电荷。富兰克林规定,经丝绸摩擦过的玻璃棒上所带的电荷称为正电荷,而经毛皮摩擦过的硬橡胶棒上所带的电荷称为负电荷。

那么,为什么摩擦能生电呢?

原来,组成物质的原子是由带正电荷的原子核和带负电荷的核外运动电子所构成的。在通常情况下,由于原子里电子的数目与原子核中质子的数目相等,所以原子以及由它所构成的物体呈电中性。当两种物体相互摩擦时,如果这两种物体中的电子脱出原子及物体表面所需要的功不一样,其中一物体会失去一些电子,而另一物体将会获得一些电子。例如,用丝绸摩擦玻璃棒时,通常,玻璃棒将失去一些电子,丝绸则将获得一些电子。这样就破坏了原来两个物体的电中性。当这两个物体分开后,失去电子的物体,内部的正电荷总数多于负电荷,从而呈现为带正电;获得电子的物体内部负电荷总数多于正电荷,呈现为带负电。电荷对于物体之间存在着引力和斥力。电荷引力可以吸引一些细小的物体。这就是摩擦生电的原理。

电流与电阻

有时候,白炽灯不亮了,取下来检查灯泡,会发现灯丝断开了。假如我们摇动灯泡,小心地将灯丝搭在一起,灯泡会重新亮起来,而且会比未断前更亮,这是为什么呢?这是由于导体的电阻跟它的长度成正比,灯丝烧断后再搭上,灯丝的长度变短了,相应地,灯丝的电阻变小了,而通过电灯的电压是一定的,这样,通过灯丝的电流强度增大。从而灯泡的功率增大,所以看上去灯泡就会比以前更亮些。然而,这样的灯泡用不了多久就会坏掉。这是因为,灯丝的材料耐热能力是有一定限度的,灯丝断后再搭起来,由于电功率变大,单位时间内放出的热量增加,所以灯丝很容易烧断,灯泡的寿命也不会持续太久。

水力发电

水力发电是利用流动的水所具有的机械能发电的,当流水推动水轮机,使发电机的磁铁组旋转,产生变化的磁场,变化的磁场进而在周围的线圈绕组内感应出电流,这样,发电机就发出电来。

为了获得较大能量的水流来推动水轮机,作用在水轮机上的水流必须有较大的势能。水流的流速越快、落差越大,水流所具有的势能就越大,在下游水轮机处势能转换而得到的动能就越大。人们可以利用河流的落差或天然瀑布的落差发电。但地球上落差较大的河流或瀑布并不是到处都有,而且河水还分丰水期和枯水期,这样就不能获得稳定的发电量。因此人们使用人工的方法来加大水流的落差和流速,即在河流中落差较大、较为狭窄的河段建筑堤坝,拦河蓄水,让河水从高高的堤坝上倾泄而下,推动水轮机发电。我国黄河上的龙羊峡水电站、长江上的葛洲坝水电站和正在建设中的三峡水电站,都是较为大型的水电站。

此外,在一些山区较小的河流上,可以用一些小的水轮机建设小水电,解决分散人口的用电问题。

水力发电相对于其他发电方式,具有成本低、污染小、电价低等特点,但是建设水库拦蓄河流可能对水库周围及下游的生态带来不可低估的影响,如黄河上的水电站,带来了泥沙淤积、下游断流等严重生态问题;长江三峡电站在建设过程中,造成上百万居民迁移,淹没了一些风景区和古迹文物,对社会成员的心理也有不可低估的影响。